基于宽带调频步进信号的数字补偿方法研究

周希辰，张志武，翟刚毅，李云飞

(1.中国舰船研究院，北京 100101；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

基于宽带调频步进信号的数字补偿方法研究

周希辰1，张志武2，翟刚毅2，李云飞2

(1.中国舰船研究院，北京 100101；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

针对调频步进信号在宽频带大口径相控阵雷达的应用中受到孔径渡越时间限制的问题，在时域去斜法的基础上分析调频步进信号在线性宽频带相控阵雷达中的处理模型，提出一种基于时域全去斜的解决办法，即对调频步进信号的子脉冲信号进行全数字去斜。根据步进间隔值，对去斜后的子脉冲信号在时域进行时移并相干合成，最后使用数字本振调整频率和相位来补偿孔径渡越时间。结合理论分析仿真以及硬件系统验证了此方法的有效性和工程可实现性。

宽频带相控阵雷达；孔径渡越时间；调频步进信号；全去斜处理；数字下变频

0 引 言

在现代高科技战争中，宽频带相控阵雷达发挥了越来越重要的作用。为了实现高精度的距离分辨率，相控阵雷达发射的信号必须采用大带宽。为了实现高精度的角度分辨率，相控阵雷达天线必须采用较大的口径。为了实现空间大角度的空域覆盖，需要相控阵雷达必须具有宽角扫描能力。[1]但是，随着相控阵雷达的天线口径和发射信号带宽的增加，在波束扫描时天线波束随着频率而发生偏移，严重影响到目标的检测。[2-5]

随着数字器件高速发展以及成熟应用，可对接收到的吉赫瞬时带宽信号数字采样，使得宽带相控阵信号全数字处理成为可能。[6-7]近年来，很多学者针对孔径渡越时间的问题进行了数字补偿技术研究。文献[8]提出了一种基于子带化的宽带数字波束形成延时补偿新方法，将延时补偿合并到窄带波束合成中，在多子带处理的同时却需要消耗更多的硬件资源。文献[9]提出一种基于调频步进信号孔径渡越时间的补偿方法，在频域进行调频步进信号的处理，但并未解决高分辨距离模糊的问题。

本文针对由于宽带相控阵需要考虑孔径渡越时间因素，采用调频步进信号(stepped-chirp)的方式，提出一种时域全数字去斜脉冲压缩处理的方法，实现通道间信号的相参叠加。时域去斜法的一般处理流程：①每个通道对接收到的子脉冲模拟下变频到中频信号后经过ADC数字量化；②对所有子脉冲全数字去斜后经过时域搬移，最后在时域进行相干合成；③每个通道的数字本振(NCO)设置不同频率和相位进行孔径渡越时间的补偿，确保每个通道输出信号同频同相；④对信号FFT处理，获得目标分辨距离信息。处理框架如图1所示。

图1 信号处理框图

1 回波信号处理

设发射的调频步进信号表达式为

n=1,2…，N,(n-1)Tr≤t≤(n-1)Tr+Tp

(1)

式中，i=1,2,…,M,M为通道数；fc为载波频率；Tp为子脉冲脉冲宽度；Tr为子脉冲重复周期；t为时间长度；Δf为步进频率的大小；k为子脉冲线性调频信号的调斜频率；N为步进脉冲的个数。第i个通道的第n个调频子脉冲经距离R处的点目标反射后到达接收机的回波信号表达式为

(n-1)Tr+τi≤t≤(n-1)Tr+Tp+τi

(2)

其中，时延τi=Δ+αi，αi=dsinθ/c，d为阵元间距，θ为波束指向，其值与波束指向、阵元间距以及阵元号i有关。所有阵元的Δ是一样的，为Δ=2R/c,即对于一个距离为R的静止目标到参考阵元的延时。

第i个通道接收到第n调频个子脉冲回波信号，与射频本振进行模拟下变频，得到第i个通道的第n个调频子脉冲的中频信号为

0≤t-(n-1)Tr-τi≤Tp,n=1,2,…,N

(3)

2 数字去斜处理

设全去斜参考信号为

0≤t-(n-1)Tr-τ0≤Tp_ref,n=1,2,…,N

(4)

其中τ0是Δ估计值。实际工程中可以通过窄带信号的引导计算出大概的目标距离R0，从而求得τ0=2R/c，经数字去斜处理并通过低通滤波器后得到的信号为

(5)

由式(5)可以得出，混频去斜后的调频子脉冲信号是一个与时延有关的单频信号，即仅与目标距离有关，其中频率和相位分别为

φi_n=2πfcαi+πk(τi2-τ02)

若不考虑孔径渡越时间对接收信号的影响，每个通道的宽带调频步进信号的子脉冲与参考信号进行混频去斜后得到的信号仅仅比前一个子脉冲多了一个由Δf/k决定的时间偏置。当步进频率间隔等于子脉冲带宽时，即Δf=k·Tp，且选取合适的采样率fs，满足fs·Tp为整数。此时，对于每个通道接收到的调频步进信号，在混频去斜后相邻两个子脉冲的相位完全连续。如果将前一个脉冲的时域回波延迟一定时间Tdelay，其中Tdelay=Δf/k，那么相邻的两个子脉冲回波在全去斜后能够在时域完整地连接起来。按此方法，将所有子脉冲全去斜后再经过时间延迟，最后在时域合成，因此第i通道回波信号经处理后如下式：

3 数字下变频处理

由式(6)看出，混频去斜后的信号的频率与相位均与通道数i有关。由于单元之间的延迟，若不进行时间补偿，严重影响回波信号的合成效果，目标的检测性能恶化。因此，在数字下变频处理时，对每一个通道数字本振(NCO)的频率和初相根据孔径渡越时间设定为不同的值，这样在与接收信号混频时可以保证混频后的信号同频同相，进而可以对回波信号进行相参叠加。

设第i通道的NCO信号表达式为

(7)

其中τri=αi+τ0，因此混频后可得

(8)

求得频率为k(τ0-Δ)，与通道数i无关，相位为

(9)

该相位仅有第3项是与通道数有关。经过计算，该项对不同通道的初相变化没有大影响，相参叠加损失很小，可忽略该项。因此，最后的相位可表示为

(10)

由上两式得出，下变频后，不同通道的信号频率和相位得到修复，可以实现相参叠加，实现了孔径渡越时间的补偿。

4 仿真分析及实际硬件系统的验证

基于某宽带中频数字T/R组件进行硬件系统实验验证。该系统由8路发射通道和8路接收通道组成，产生5个子脉冲带宽100 MHz的调频步进信号。为验证本文提出方法的有效性和工程可实现性，在理论仿真过程中，以两个通道为例，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数表

以通道1为参考通道。在未对通道2 进行孔径渡越时间补偿时，经过理论计算，求得两通道信号频率分别为92.22、92.54 kHz。由图2、图3也可以看出，信号的频率不同，对信号叠加作脉压后，如图4，除了在目标位置100 km处出现了峰值，在99.97、100.02 km处出现栅瓣，高度与主瓣接近，严重影响目标检测。

由图5可以看出，对接收通道2作数字补偿后信号处理后的频率几乎与接收通道1相同，对接收信号可以相参叠加。由图6可以看出，经过时域去斜补偿后，对调频步进信号脉压处理，峰值只出现在目标处，检测性能明显得到改善。

图2 接收通道1结果

图3 接收通道2补偿前结果

图4 补偿前脉压结果

图5 接收通道2补偿后结果

5 结束语

本文以线阵相控阵雷达为例，针对信号带宽受孔径渡越时间限制的问题，提出一种基于时域去斜的解决办法，对去斜后的子脉冲信号在时域进行时移并相干合成，最后使用数字本振调整频率和相位来补偿孔径渡越时间，实现了静止目标的精确检测。仿真分析以及结合硬件系统验证后，本文提出的方法可以有效改善宽带调频步进信号的合成效果，使得各接收通道的回波信号相参叠加，保证了相控阵雷达远距离探测的威力。

图6 补偿后脉压结果

[1] 文树梁,袁起,毛二可,等. 宽带相控阵雷达Stre-tch处理孔径渡越时间数字补偿技术[J]. 电子学报,2005,(06):961-964.

[2] Levanon Nadav, Mozeson Eli. Nulllifying ACF gra-ting lobes in stepped-frequency train of LFM pulses[J].IEEE Trans.on Aerospace and Electronic System,2003,39(2):694-703.

[3] Rabideau D J. Nonlinear Synthetic Wideband Wav-eforms[C].IEEE Radar conference. Piscataway. IEEE Press.2002:212-219.

[4] Lord R T, Inggs M R. High Resolution SAR Processing Using Stepped-Frequencies[C]. IGARSS 07 Proceedings. Piscataway. IEEE Press,1997:15-17.

[5] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社,2006.

[6] 刘海波,牛阳,任晓远,等.基于chirp信号的宽频带相控阵雷达数字补偿技术[J].北京理工大学学报,2016,36(9):966-969.

[7] 陈建康. 宽带雷达数字化波形产生技术研究[D].西安电子科技大学,2013.

[8] 陈新竹,吴洁,舒汀,等.基于子带化的宽带数字波束形成延时补偿新方法[J].现代雷达,2016,12(12):27-30

[9] 周伟光,王建明,谢纪岭,等. 一种孔径渡越时间补偿方法研究[J].现代雷达,2011,33(1):41-46.

A digital compensation method based on wideband stepped frequency chirp signals

ZHOU Xi-chen1, ZHANG Zhi-wu2, ZHAI Gang-yi2, LI Yun-fei2

(1. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101;2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

In view of the problem that the aperture fill time is limited for the stepped frequency chirp signals (SFCS) in the application of the wideband phased array radars (PAR), the processing model of the SFCS in the linear broadband PAR is analyzed based on the time-domain de-chirp method. A solution is proposed based on the time-domain de-chirp method, in which the fully digital de-chirp operation is performed on each sub-pulse signal of the SFCS. According to the step interval value, the sub-pulse signals are shifted in the time domain and coherently synthesized after the de-chirp operation. Finally, the digital LO is used to adjust the frequencies and phases to compensate the aperture fill time. The method is verified to be effective and feasible through the theoretical analysis and simulation and the hardware system.

wideband PAR; aperture fill time; SFCS; de-chirp method; DDC

TN958.92

A

1009-0401(2017)04-0007-04

2017-09-18；

2017-10-23

周希辰(1960-)，男，研究员，研究方向：雷达总体；张志武(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理；翟刚毅(1978-)，男，研究员，研究方向：雷达信息处理；李云飞(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达信号处理。